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Thermoelemente Zusatz zur Patentanmeldung M 23 755 IVa/2lb (Auslegeschrift
1 049 452) Die Patentanmeldung M 23755 IVa/21b betrifft ein Thermoelement, dessen
einer haibmetallischer Leiter gegen atmosphärische Einwirkungen abge schlossen ist.
An der heißen Verbindungsstelle befindet sich zwischen den beiden Leitern ein gegenüber
dem Halbleiter chemisch stabiles Zwischenstück.
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In einer anderen Zusatzpatentanmeldung M 23756 IVa/21 b ist ein Thermoelement
beschrieben, das sich besonders für hohe Temperaturen eignet. Bei diesem sind die
beiden, die Thermospannung erzeugenden Schenkel so ausgebildet, daß sie im wesentlichen
die gleiche Wärmeausdehnung beim Erhitzen erleiden. Daher kann die Isoliermasse,
welche den luftdichten Abschluß zwischen becherförmigem Schenkel und Anschlußstift
des inneren Schenkels sichert, aus Glas bestehen.
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Die vorliegende Erfindung stellt eine weitere Ausgestaltung eines
für hohe Temperaturen geeigneten Thermoelements dar, wobei ein besonders großes
Temperaturgefälle zwischen der heißen und kalten Verbindungsstelle des Thermoelements
erzielt wird.
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Der Verschluß des Thermoelements fordert keine umständlichen oder
schwierig anzubringenden Verschlußmittel, da dieser von der heißen Zone entfernt
angeordnet und daher keiner so großen thermischen Beanspruchung unterworfen ist.
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Bei diesem Thermoelement ist am äußeren becherförmigen Schenkel an
dessen kaltem Ende ein rohrförmiger Verlängerungsteil befestigt. Der innere, aus
einer halbmetallischen Legierung bestehende Schenkel bzw. die an seinem kalten Ende
angebrachte Kontaktelektrode weist einen entsprechend langen Leiter auf, der im
Inneren des Verlängerungsteils bis zu dem an dessen Ende befindlichen Anschlußkernglied
reicht und mit diesem fest verbunden, vorzugsweise verlötet ist.
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Um die infolge der Erwärmung auftretenden Spannungen abzufangen,
besteht der verlängerte Leiter aus einem biegsamen, vorzugsweise geflochtenen, Draht.
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Die Erfindung wird im folgenden an Hand von Zeichnungen näher erläutert.
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Fig. 1 stellt eine Außenansicht einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen
Thermoelements dar; Fig. 2 ist ein Schnitt entlang der Linie 2-2 der Fig. 1; Fig.
3 ist eine Draufsicht des Thermoelements, das in den Fig. 1 und 2 dargestellt ist.
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Das Bauteil 10 der gezeigten Ausführungsform besteht aus einem becherförmigen
Schenkel, vorzugsweise aus nichtrostendem Stahl. einem hohlen rohrförmigen Mantel-
bzw. Hüllenteil 10b und einem Spitzenteil 10 . das zweckmäßig als zusammenhängendes
Stück an einem Ende des Mantel- bzw.
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Hüllenteils ausgebildet ist, dieses an jenem Ende hermetisch abschließt
und als Wärmefühler für das Thermoelement dient.
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Die Thermoelementbauteile 10 und 11 sind mechanisch und elektrisch
lediglich an einem Ende durch die später zu beschreibende Kontaktelektrode 12 verbunden,
um die heiße Verbindungsstelle für das Thermoelement zu bilden. Wenn das Thermoelementbauteil
10 aus nichtrostendem Stahl oder aus einer Eisenlegierung besteht, kann die Kontaktelektrode
12 mit dem Bauteil 10 aus einem Stück hergestellt sein.
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In diesem Fall wird das Bauteil 11 mit dem Teil 10 nach einem Anschmelzverfahren
verbunden, wie es im Hauptpatent erwähnt ist. Der Bauteil 11 des Thermoelements
ist das negative Element, während die Hülle 10 aus nichtrostendem Stahl den Teil
11 und die heiße Verbindungsstelle umschließt und als positives Element dient, wenn
das Elementpaar an der heißen Verbindungsstelle erhitzt wird. Die in der Wärme in
den Bauteilen 10 und 11 erzeugten Sol'an nungen haben gegenüber Platin den entgegengesetzten
Sinn in Hinblick auf das Temperaturgefälle. Sie addieren sich daher in einer Reihenschaltung,
die durch eine kalte Verbindungselektrode 13 und das kalte Ende der Umhüllung gebildet
wird. Die in der Umhüllung entwickelte Spannung ist gering im Vergleich zu der des
Bauteils 11, weshalb das letzt-
genannte für die Zwecke in dieser
Beschreibung als das »aktive« Bauteil bezeichnet wird. Es kann aus einer der in
der Patentanmeldung Ni 23755 IVa/21 h erwähnten Blei-Selen-Tellur-Legierungen bestehen.
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Wie oben erwähnt, werden die Themoelementteile 10 und 11 zwecks Bildung
einer elektrischen Verbindung lediglich an der heißen Verbindungsstelle miteinander
verbunden, wobei das Bauteil 11 im übrigen in einem kleinen Abstand von der Hülle
10 b gehalten wird.
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Eine ringförmige Büchse aus elektrischem Isoliermaterial umgibt die
kalte Anschlußelektrode 13 und verbindet lose die Verlängerung 16 der Hülle, die
an dem offenen Ende der Hülle 10 b befestigt ist und einen Teil des Elements 11
des Thermoelements bildet, um das freie Ende des Elements 11 zu stützen und es gegenüber
der Hülle lOb von dem Verlängerungsteil 16 dieser Hülle zu zentrieren. Der Zwischenraum
15 zwischen dem Element 11 und der Hülle 10 b mit seiner Verlängerung 16, wie am
besten in Fig. 2 erläutert ist, dient dazu, um die Elemente elektrisch voneinander
zu isolieren und ist vorzugsweise mit einem inerten Gas gefüllt, so daß eine Oxydation
des aktiven Bauteils 11 verhindert wird.
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Es sind Abschlußmittel vorgesehen, die den Raum 15 gegen die umgebende
Atmosphäre abschließen. Diese Mittel sind, wie aus Fig. 2 zu sehen ist, hauptsächlicil
in einem Halsteil 17 angeordnet, das vorzugsweise aus Messing besteht und am offenen
Ende der Verlängerung 16 der Hülle hart angelötet oder anderweitig befestigt ist,
wodurch das Thermoelement mit einer äußeren kalten Anschluß stelle versehen wird.
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Das Halsteil 17 hat einen nach innen gerichteten Flansch 17a, gegen
den eine Dichtungsscheibe 18 aus biegsamem Material, z. B. aus Siliconkautschuk,
dicht abschließend angepreßt werden kann. Der Verschluß umfaßt ferner ein ringförmiges
Kernglied 19 mit einem in dessen Mitte angeordneten Flansch 19 a, dessen eine Seite
die Dichtung 18, wie vorerwähnt, berührt und dessen andere Seite dicht in eine zweite
ähnliche Dichtung 20 eingreifen soll, wobei beide Dichtungen 18 und 20 aus elektrisch
nichtleitendem Material bestehen. Wie in Fig. 2 gezeigt, ist der Durchmesser des
Kerngliedes 19 etwas kleiner als der des Halsteils 17 und schwimmt in diesem, wie
nachher ersichtlich wird. Da, wie oben erwähnt, seine einzige Verbindung mit dem
Halsteil 17 über die elektrisch isolierenden Packungen 18 und 20 geht, ist er gegen
das Halsstück 17 aus Gründen, die später erläutert werden, elektrisch isoliert.
Der Ring 21 vervollständigt den Verschluß. Er soll die beiden Packungen 20 und 21
unter leichten Druck setzen, damit ein hermetischer Abschluß zwischen den erwähnten
Teilen erreicht wird. Durch einen biegsamen Leiter, z. B. einen Draht 22, vorzugsweise
aus geflochtenem Kupfer, mit geringem thermischem und elektrischem Widerstand wird
eine elektrische Verbindung zwischen der kalten Verbindungselektrode 13 und dem
Verschlußkernglied 19 hergestellt. Die Drahtenden sind an der kalten Verhindungselektrode
13 bzw. den Abschlußkern 19 angelötet, wobei naturgemäß der Draht 22 und der Abschlußkern
19 eine hermetisch abschließende Verbindung ergeben soll.
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Der vorbeschriebene thermoelektrische Stromerzeuger kann zweckmäßig
mit einem koaxialen Kabel 23, wie es in der USA.-Patentschrift 2 126 564 beschrieben
ist, versehen werden. Das innere Kabel 23 a eines derartigen Kabels kann, wie in
Fig. 2 gezeigt, mit dem Abschlußkern 19 verlötet oder anderweitig verbunden sein,
während das äußere Kabel 23 b
mit dem Halsteil 17 über ein ringförmiges becherförmiges
Backenglied 24 elektrisch verbunden ist, das zweckmäßig mechanisch und elektrisch
mit dem Halsstück 17 und dem äußeren Kabel 23 b verbunden ist. wie auch aus Fig.
2 hervorgeht.
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Wie ersichtlich ist, wird jede Differenz einer Wärmeausdehnung zwischen
dem Bauteil 10 und dem aktiven Bauteil 11 durch das biegsame Verbindungsstück 22
aufgenommen, weshalb der oben beschriebene hermetische Abschluß ein statischer Abschluß
sein kann. Ferner stellt die biegsame Verbindung 22 einen Schutz für die Kontaktelektrode
13 und damit für den aktiven Bauteil 11 gegen äußere Kräfte dar, die auf den Leiter
23 einwirken können.
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Da die Verschlußeinrichtung für das Thermoelement, die das Bauteil
11 gegen die umgebende Atmosphäre und schädliche Gase hermetisch abschließt, entfernt
vom heißen Teil der Anordnung angebracht ist, kann das Thermoelement ohne Gefahr
einer Beschädigung des Verschlusses bei sehr hohen Temperaturen verwendet werden.
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Das Thermoelement ist vorzugsweise zylindrisch ausgebildet, um die
Herstellung von Einzelteilen auf automatischen Maschinen zu ermöglichen. Das becherförmig
ausgebildete Hüllenteil 10 wird, um ein Eindringen von Sauerstoff durch eine möglicherweise
unvollständige Schweißnaht zu vermeiden, bevorzugt in der heißen Zone angeordnet.
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Für jede gegebene thermische und elektrische Leitfähigkeit ist die
Umwandlungsleistung stark abhängig vom Verhältnis der Dicke der Hülle zum Radius
des Bauteils 11, insbesondere vom Verhältnis der Querschnittsflächen der beiden
Bauteile. In der dargestellten Ausführungsform beträgt dieses Verhältnis des Radius
des Bauteils 11 zur Dicke der Hülle 10b vorzugsweise etwa 6:1 oder mehr.
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Die Umwandlungsleistung des Thermoelements ist natürlich auch von
der Temperaturdifferenz an den heißen und kalten Verbindungsstellen abhängig. Für
Thermoelemente mit einem halbmetallischen inneren Bauteil geringer Wärmeleitfähigkeit
können durch Auswahl des Verhältnisses von Länge zu Durchmesser für das halbmetallische
Bauteil, welches in der hier beschriebenen Ausführungsform etwa 4:1 beträgt, große
Temperaturdifferenzen erreicht werden.
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Die Wärmeabstrahlung von der Oberfläche des inneren Bauteils zur äußeren
Hülle führt zu einem beträchtlichen Temperaturgefälle innerhalb des inneren Bauteils,
insbesondere in der Nähe der heißen Verbindungsstelle. Infolgedessen ist der Wärmefluß
durch die einzelnen Verbindungsstellen in das innere Element gering, da das kalte
Ende des halbmetallischen Elements bzw. die innere kalte Verbindung über die ganze
Fläche des inneren Elements eine Temperatur annimmt, die nur wenig höher ist als
die der äußeren kalten Verbindungsstelle. Die weitere Folge einer solchen Strahlungskühlung
ist der geringere elektrische Widerstand des halbmetallischeii inneren Bauteils
mit einem positiven Temperaturkoeffizienten des Widerstandes.
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Die Abstrahlung von Wärme erfolgt zwischen dem aktiven Bauteil 11,
seiner kalten Anschlußelektrode 13, den Metallwänden des Bauteils 10 und ihrer Verlängerung
16. Da die Temperatur der kalten Anschlußstellen von der Natur ihrer Umgebung abhängt,
ist es somit wünschenswert, die Temperatur der Umgebung niedrig zu halten. Die Verlängerung
des Gehäuses bis in eine kältere Zone, z. B. durch die Verlängerung 16, bewirkt
ein Absinken der Temperatur, das die Abkühlung des Gehäuses rund um die kalte
Verbindungsstelle
unterstützt. Außerdem wird dank des Abstandes der kalten Stelle von der Zone der
hohen Temperatur eine Vereinfachung der Verschlußeinrichtung erreicht. Außerdem
kann die Wärme aus der äußeren kalten Anschlußstelle mit Hilfe einer Halteklammer
25, die den Verlängerungsteil 16 der Hülle umfaßt, abgezogen werden. Diese Klammer
ist an einem nicht gezeigten Teil von tiefer Temperatur befestigt. Die Abstrahlung
von Wärme aus dem Bauteil 10 an die Umgebung wird in gleicher Weise wie die Abführung
von Wärme, die durch das äußere Metallhüllenteil fließt, unterstützt.
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Das Zusammenbauen der Teile des Thermoelements kann in der im Hauptpatent
erwähnten Weise erfolgen.
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PTENThNSPOCHE: 1. Thermoelement nach Patentanmeldung M 23755 IVb/21b,
dadurch gekennzeichnet, daß der äußere becherförmige Schenkel (10) an seinem kalten
Ende einen rohrförmigen Verlängerungsteil (16) und der innere, aus einer halbmetallischen
Legierung bestehende Schenkel (11) bzw. die an dessen kalten Ende angebrachte Kontaktelektrode
(13) einen entsprechend langen Leiter (22) aufweist, der im Inneren des Verlängerungsteils
bis zu dem an dessen Ende befindlichen Anschlußkernglied (19) reicht und mit diesem
fest verbunden, vorzugsweise verlötet, ist.